KKT kontra nieograniczone sformułowanie regresji lasso


20

Regresja penalizowana przez L1 (aka lasso) jest prezentowana w dwóch formulacjach. Niech dwie funkcje celu to

Q1=12||Y−Xβ||22Q2=12||Y−Xβ||22+λ||β||1.
Następnie dwie różne formulacje to
argminβQ1
zastrzeżeniem
||β||1≤t,
i równoważnie
argminβQ2.
Korzystając z warunków Karush-Kuhn-Tucker (KKT), łatwo jest zobaczyć, w jaki sposób warunek stacjonarności dla pierwszego preparatu jest równoważny z wzięciem gradientu drugiego preparatu i ustawieniem go na wartość 0. Czego nie mogę znaleźć, ani się domyślić , jest to, w jaki sposób komplementarny warunek luźności dla pierwszego preparatu,λ(||β||1−t)=0 , jest zapewniony przez rozwiązanie dla drugiego preparatu.

Odpowiedzi:


16

Oba preparaty są równoważne w tym sensie, że dla każdej wartości t w pierwszym preparacie istnieje wartość λ dla drugiego preparatu, tak że oba preparaty mają ten sam minimalizator β .

Oto uzasadnienie:

Rozważmy sformułowanie lasso: Niech minimalizator będzieβ∗i niechb=| | β∗| | 1. Moje twierdzenie jest takie, że jeśli ustawiszt=bw pierwszym preparacie, wówczas rozwiązaniem pierwszego preparatu będzie równieżβ∗. Oto dowód:

f(β)=12||Y−Xβ||22+λ||β||1
β∗b=||β∗||1t=bβ∗

beta | | beta | | 1 < | | β ∗ | | 1 = b f ( β ) < f ( β * ) β * β *

min12||Y−Xβ||22 s.t.||β||1≤b
β^||β^||1<||β∗||1=bf(β^)<f(β∗)β∗β∗

Ponieważ , uzupełniający warunek luzu jest spełniony w punkcie rozwiązania .β ∗t=bβ∗

Tak więc, biorąc pod uwagę formułę lasso z , konstruujesz formułę ograniczoną za pomocą równego wartości normy rozwiązania lasso. I odwrotnie, biorąc pod uwagę ograniczoną formułę z , znajdziesz taką, że rozwiązanie lasso będzie równe rozwiązaniu ograniczonej formulacji.t l 1 t λλtl1tλ

(Jeśli wiesz o podgradientach, możesz znaleźć to , rozwiązując równanie , gdzieX T ( y - X β ∗ ) = λ z ∗λXT(y−Xβ∗)=λz∗z∗∈∂||β∗||1)


1
Doskonały. Gdy zobaczysz rozwiązanie, zawsze czujesz się głupi, że sam się tam nie dostałeś. Zakładam, że masz na myśli, znajdując sprzeczność, przypuszczamy, że znajdujemy taki, że ? | | beta | | 1<| | β∗| | 1=bβ^||β^||1<||β∗||1=b
— goodepic

Uważaj flagową odpowiedź za poprawną
— bdeonovic

2
można opracować dlaczego f(β^)<f(β∗)
— goofd

Dowodzi to, że rozwiązanie pierwszego preparatu musi również mieć normę l1 wynoszącą b. W jaki sposób dowodzi, że oba rozwiązania są rzeczywiście takie same?
— broncoAbierto

1
Ponadto Lasso nie zawsze ma unikalne rozwiązanie, więc nie możemy odnosić się do minimalizatora. arxiv.org/pdf/1206.0313.pdf . Mogliśmy jednak zapoznać się z zestawem minimizers i pokazują, że niektóre beta ≠ beta * muszą należeć do tego zbioru. β^≠β∗
— broncoAbierto

3

Myślę, że pomysł Elexhobby'ego na ten dowód jest dobry, ale nie sądzę, aby był całkowicie poprawny.

β^‖ β ‖ = ‖ β * ‖ β = β *‖β^‖<‖β∗‖‖β^‖=‖β∗‖β^=β∗

Zamiast tego sugeruję, abyśmy postępowali w następujący sposób:

Dla wygody oznaczmy odpowiednio przez i pierwsze i drugie sformułowanie. Załóżmy, że ma unikalne rozwiązanie, , z . Niech znajdzie rozwiązanie, . Mamy więc ten(nie może być większy z powodu ograniczenia), a zatem . Jeśli to nie jest rozwiązaniem , co jest sprzeczne z naszymi założeniami. JeśliP 2 P 2 β * ‖ β * ‖ = b P 1 β ≠ β * ‖ βP1P2P2β∗‖β∗‖=bP1β^≠β∗F ( β ) ≤ f ( β * ) f ( β ) < f ( β * ) β * P 2 f ( β )‖β^‖≤‖β∗‖f(β^)≤f(β∗)f(β^)<f(β∗)β∗P2β = β *f(β^)=f(β∗)następnie , ponieważ założyliśmy, że rozwiązanie jest unikalne.β^=β∗

Może się jednak zdarzyć, że Lasso ma wiele rozwiązań. Z lematu 1 arxiv.org/pdf/1206.0313.pdf wiemy, że wszystkie te rozwiązania mają tę samą -norm (i oczywiście tę samą wartość minimalną). Ustawiamy tę normę jako ograniczenie dla i kontynuujemy.P 1ℓ1P1

Oznaczmy przez zbiorem rozwiązań z . Niech ma rozwiązanie, . Mamy więc ten , a zatem . Jeśli dla niektórych (a stąd dla wszystkich), to , co jest sprzeczne z naszymi założeniami. Jeśli dla niektórych to nie jest zbiorem rozwiązańP 2 ‖ β ‖ = b ∀ β ∈ S P 1 β ∉ S ‖ β ‖ ≤ f ( β ) < f ( β ) β ∈ S S P 2 P 1 S P 1 P 2SP2‖β‖=b ∀β∈SP1β^∉S‖β^‖≤‖β‖∀β∈Sf(β^)≤f(β)∀β∈Sf(β^)=f(β)β∈Sβ^∈Sf(β^)<f(β)β∈SSP2 . Dlatego każde rozwiązanie jest w , tzn. Każde rozwiązanie jest również rozwiązaniem . Pozostałoby udowodnić, że komplementarne również ma miejsce.P1SP1P2

Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.